EP1466097B1 - Flüssigkeitspumpe - Google Patents

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EP1466097B1
EP1466097B1 EP03729208A EP03729208A EP1466097B1 EP 1466097 B1 EP1466097 B1 EP 1466097B1 EP 03729208 A EP03729208 A EP 03729208A EP 03729208 A EP03729208 A EP 03729208A EP 1466097 B1 EP1466097 B1 EP 1466097B1
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EP
European Patent Office
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piezo
piston
movement
pump
liquid pump
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EP03729208A
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Thomas Lorkowski
Frank Hermle
Stefan Storm
Peter JÄNKER
Hans-Georg Herrmann
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Airbus Defence and Space GmbH
Original Assignee
EADS Deutschland GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B17/00—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors
    • F04B17/003—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by piezoelectric means

Definitions

  • the invention relates to a liquid pump according to the preamble of claim 1.
  • Such a pump is known from JP60098181 A.
  • a liquid pump in which the with Inlet and outlet valves provided partially from a pump housing cup-shaped biased piezoelectric element, which is deformed upon application of a voltage such that the volume of Pump chamber is reduced, whereby the pumping effect is achieved.
  • a liquid pump according to DE 8704314 U1 presses a piezoelectric actuator externally on a pump chamber equipped with a flexible pump membrane, whereby also their volume at each stroke of the piezoelectric actuator is reduced, whereby the liquid is squeezed out, that is pumped.
  • DE 39 10 331 A1 discloses an arrangement with a liquid pump from a Pump housing enclosing Pumpengereheatuäse with attached Inlet and exhaust valves that the pump with each movement of the piston performs a pumping effect.
  • the piston is characterized by two excitation coils directly moved.
  • a disadvantage of pumps according to DE 39 10 331 A1 affects that a Electromagnetic drive requires a lot of energy at low pumping power and also when using Piezostellelementen as a drive, the pump power proportional to the piezo volume remains, reducing the cost and weight issues can not be solved.
  • the object is in a liquid pump of the type described above solved by the fact that the piezo-actuator elements transverse to the direction of movement of the Piston with amplifier frame for the implementation of the stroke of the piezo actuator elements are arranged.
  • Such amplifier or conversion frames change the direction of movement of the hub.
  • the movement with high power and low lift which distinguishes a piezoelectric element, converted into a movement with lower power, but higher lift.
  • This is especially true for liquid pumps advantageous, since here also a reduced force sufficient for pumping, the higher stroke but directly increases the pump power.
  • the liquid pump according to the invention has a higher power density as conventional liquid pumps with piezo drive.
  • the piezo-actuator elements are in antagonist arrangement placed.
  • the so differentially working piezoelectric elements are biased over the pump housing and the respective opponent. This prevents the piezo-actuator elements from being subjected to tensile loading be claimed, resulting in a reduction in the burden of these components leads.
  • the frequency of the piezo actuator elements can be adapted to the flow rate become.
  • the piezoelectric elements are preferred in their resonance frequency operated.
  • An adaptation to the respective desired flow rate can here ensured by the size of the piston or the stroke of the piezo actuator elements become.
  • the resonance mode of the piezo actuator ensures a higher energy coupling, which reduces the necessary piezo volume can.
  • the valves which regulate the flow in and out of the pump chamber, can be actively controlled in dependence on the frequency of the piezo-actuator elements, Preferably, the inlet and outlet valves but passive valves. Especially it is preferably spring-mass oscillator. With these is that Ratio of spring constant to mass to the frequency of the piezo actuator elements Voted.
  • the valves respond to the different pressure conditions in the liquid and open and close independently. In addition, the time required by the valve opening and closing time on the Frequency of the pump adjusted.
  • the pump chamber 10 is through the pump housing 11 limited. This can increase the inherent rigidity and to improve heat dissipation, contain outer fins which however, are not shown.
  • the pump chamber is defined by the piston 20 divided into two sub-chambers. These sub-chambers each have an inflow with an inlet valve 12, 13 and a respective outlet with an outlet valve 14, 15th
  • the piston which by conventional means against the pump housing is sealed, is by a first and second piezoelectric actuator 21, 22 such moves that one sub-chamber is enlarged while the other sub-chamber simultaneously reduced in volume.
  • a first and second piezoelectric actuator 21, 22 such moves that one sub-chamber is enlarged while the other sub-chamber simultaneously reduced in volume.
  • the left sub-chamber when the piston is moved in the figure to the right. in this connection the inlet valve 12 is open and the outlet valve 14 is closed while the inlet valve 13 is closed and the outlet valve 15 is opened.
  • the inlet valve 12 is open and the outlet valve 14 is closed while the inlet valve 13 is closed and the outlet valve 15 is opened.
  • the open valves are closed and the closed Valves open, causing the first sucked into the left sub-chamber liquid is now pumped out, while the right sub-chamber fills again.
  • the different access lines can be supplied by a central line as well as the pumped liquid in an overall line can be united. This ensures that every movement the piston 20 a pumping operation is performed.
  • the movement of the piston 20 in the pump chamber 10 is by a first Piezo actuator 21 and a second piezoelectric actuator 22 ensures.
  • the piezoelectric elements 21, 22 with their stroke transverse to the direction of movement of the Piston 20 installed.
  • the implementation of the direction of movement takes place via a first and a second reinforcing frame 21 a, 22 a.
  • Such reinforcing frames For example, consist of solid frame parts, the one Octagon, where on two opposite sides the force of the Piezostellelements attacks, wherein the frame parts at the corners of the octagon are flexibly configured via bending elements.
  • a lifting movement of the first piezoelectric element 21 causes a Extension of the frame in the direction of the stroke and thus a pulling movement on Piston 20, whereby the second reinforcing frame 22a along the direction of movement of the piston 20 stretched and the second piezoelectric actuator 22 compressed becomes.
  • the piezoelectric elements 21, 22 are biased and become not burdened with tension during the return movement.
  • the intake valves 12, 13 and the exhaust valves 14, 15 are passive valves, according to the spring-mass principle.
  • the closure part of the valve (not shown) to a with a characteristic frequency oscillating spring-mass component coupled. This frequency is on the frequency of the piezo-actuator elements so that the lowest possible switching or opening or closing times arise.

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkeitspumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine solche Pumpe ist aus der JP60098181 A bekannt.
Bei anderen konventionellen Flüssigkeitspumpen mit Piezostellelementen wird die Pumpwirkung dadurch erzielt, dass die Pumpenkammer mit jedem Hub des Piezostellelements verkleinert wird und der dadurch entstehende Druck die Flüssigkeit transportiert.
So ist aus DE 3320443 A1 eine Flüssigkeitspumpe bekannt, bei der das mit Einlass- und Auslassventilen versehene Pumpengehäuse partiell aus einem schalenförmig vorgespannten piezoelektrischen Element besteht, welches sich beim Anlegen einer Spannung derart verformt, dass das Volumen der Pumpenkammer verkleinert wird, wodurch der Pumpeffekt erzielt wird.
Bei einer Flüssigkeitspumpe gemäß DE 8704314 U1 drückt ein Piezostellelement extern auf eine mit einer flexiblen Pumpenmembran ausgestattete Pumpenkammer, wodurch ebenfalls deren Volumen bei jedem Hub des Piezostellelements verkleinert wird, wodurch die Flüssigkeit herausgepresst, also gepumpt wird.
Nachteilig wirkt sich bei derartigen Pumpsystemen aber das relativ kleine Verdrängervolumen der Pumpenkammer aus, so dass diese üblicherweise nur in Mikrosystemen angewendet werden. Die installierte Pumpleistung kann hierbei direkt auf ein notwendiges Piezovolumen umgerechnet werden. Um eine leistungsfähige Pumpe zu erhalten, muss somit entweder das Piezovolumen oder die Betriebsfrequenz erhöht werden. Beide Ansätze sind jedoch destruktiv, da zum einen ein erhöhter Piezoanteil die Kosten und das Gewicht in die Höhe treibt und zum anderen die Frequenz nicht beliebig erhöht werden kann.
DE 39 10 331 A1 offenbart eine Anordnung mit Flüssigkeitspumpe aus einem eine Pumpenkammer umschließenden Pumpengehäuäse mit derart angebrachten Einlass- und Auslaßventilen, dass die Pumpe bei jeder Bewegung des Kolbens einen Pumpeffekt durchführt. Der Kolben wird dabei durch zwei Erregerspulen direkt bewegt.
Aus JP 5164052 A und JP 11182421 A gehen Pumpen als bekannt hervor, bei denen Piezostellelemente anstelle eines elektromagnetischen Antriebs zur Bewegung eines Kolbens eingesetzt werden.
Nachteilig bei Pumpen gemäß DE 39 10 331 A1 wirkt sich aus, dass ein elektromagnetischer Antrieb viel Energie bei geringer Pumpleistung benötigt und auch beim Einsatz von Piezostellelementen als Antrieb die Pumpleistung proportional zum Piezovolumen bleibt, wodurch die Kosten und Gewichtsproblematik nicht behoben werden kann.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Flüssigkeitspumpe bereitzustellen, welche trotz geringem Piezovolumen eine große Pumpleistung realisiert.
Die Aufgabe wird bei einer Flüssigkeitspumpe der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, dass die Piezostellelemente quer zur Bewegungsrichtung des Kolbens mit Verstärkerrahmen zur Umsetzung des Hubs der Piezostellelemente angeordnet sind.
Derartige Verstärker- bzw. Umsetzungsrahmen verändern die Bewegungsrichtung des Hubs. Außerdem wird die Bewegung mit hoher Kraft und geringem Hub, welche ein Piezostellelement auszeichnet, umgewandelt in eine Bewegung mit geringerer Kraft, dafür aber höherem Hub. Dies ist besonders bei Flüssigkeitspumpen von Vorteil, da hier auch eine reduzierte Kraft zum Pumpen ausreicht, der höhere Hub aber direkt die Pumpleistung vergrößert.
Hierdurch besitzt die erfindungsgemäße Flüssigkeitspumpe eine höhere Leistungsdichte als konventionelle Flüssigkeitspumpen mit Piezoantrieb.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Piezostellelemente in Gegenspieleranordnung platziert. Die so differentiell arbeitetenden Piezostellelemente werden dabei über das Pumpengehäuse und den jeweiligen Gegenspieler vorgespannt. Hierdurch wird verhindert, dass die Piezostellelemente auf Zugbelastung beansprucht werden, was zu einer Verringerung der Belastung dieser Bauteile führt.
Die Frequenz der Piezostellelemente kann an die Fördermenge angepasst werden. Bevorzugt werden die Piezostellelemente aber in ihrer Resonanzfrequenz betrieben. Eine Anpassung an die jeweils gewünschte Fördermenge kann hier über die Größe des Kolbens oder über den Hub der Piezostellelemente gewährleistet werden. Der Resonanzbetrieb der Piezostellelemente gewährleistet eine höhere Energiekopplung, womit das notwendige Piezovolumen reduziert werden kann.
Die Ventile, welche den Fluss in und aus der Pumpenkammer regulieren, können aktiv in Abhängigkeit von der Frequenz der Piezostellelemente gesteuert werden, bevorzugt sind die Ein- und Auslassventile aber passive Ventile. Insbesondere bevorzugt handelt es sich um Feder-Masse-Schwinger. Bei diesen ist das Verhältnis der Federkonstante zur Masse auf die Frequenz der Piezostellelemente abgestimmt. Außerdem reagieren die Ventile auf die unterschiedlichen Druckverhältnisse in der Flüssigkeit und öffnen und schließen dabei selbstständig. Außerdem ist die hierfür vom Ventil benötigte Öffnungs- und Schließzeit auf die Frequenz der Pumpe angepasst.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorzüge ergeben.
Es zeigt:
Fig. 1
einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Flüssigkeitspumpe mit Piezostellelementen, deren Hub mittels achtseitigen Verstärkungsrahmen umgesetzt werden.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Flüssigkeitspumpe 1 wird die Pumpenkammer 10 durch das Pumpengehäuse 11 begrenzt. Dieses kann zur Erhöhung der Eigensteifigkeit und zur Verbesserung der Wärmeabführung äußere Rippen enthalten, welche allerdings nicht eingezeichnet sind. Die Pumpenkammer wird durch den Kolben 20 in zwei Teilkammern geteilt. Diese Teilkammern besitzen jeweils einen Zufluss mit einem Einlassventil 12, 13 und jeweils einen Ausfluss mit einem Auslassventil 14, 15.
Der Kolben, welcher mittels konventioneller Mittel gegen das Pumpengehäuse abgedichtet ist, wird durch ein erstes und zweites Piezostellelement 21, 22 derart bewegt, dass eine Teilkammer vergrößert wird, während die andere Teilkammer gleichzeitig im Volumen verkleinert wird. So vergrößert sich beispielsweise die linke Teilkammer, wenn der Kolben in der Figur nach rechts bewegt wird. Hierbei ist das Einlassventil 12 geöffnet und das Auslassventil 14 geschlossen, während das Einlassventil 13 geschlossen und das Auslassventil 15 geöffnet ist. Somit wird Flüssigkeit in die linke Teilkammer gesaugt, während durch die Kompression in der rechten Teilkammer und durch die Ventilstellung die dort enthaltene Flüssigkeit herausgedrückt, also gepumpt wird. Bei einer umgekehrten Bewegung des Kolbens 20 werden die offenen Ventile geschlossen und die geschlossenen Ventile geöffnet, wodurch die zuerst in die linke Teilkammer gesaugte Flüssigkeit nun herausgepumpt wird, während sich die rechte Teilkammer wieder füllt. Die verschiedenenen Zugangsleitungen können dabei von einer Zentralleitung versorgt werden, genauso, wie die gepumpte Flüssigkeit in einer Gesamtleitung vereinigt werden kann. Hierdurch ist gewährleistet, dass durch jede Bewegung des Kolbens 20 ein Pumpvorgang durchgeführt wird.
Die Bewegung des Kolbens 20 in der Pumpenkammer 10 wird durch ein erstes Piezostellelement 21 und ein zweites Piezostellelement 22 gewährleistet. Dabei sind die Piezostellelemente 21, 22 mit ihrem Hub quer zur Bewegungsrichtung des Kolbens 20 eingebaut. Die Umsetzung der Bewegungsrichtung erfolgt dabei über einen ersten und einen zweiten Verstärkungsrahmen 21 a, 22a. Derartige Verstärkungsrahmen bestehen beispielsweise aus massiven Rahmenteilen, die ein Achteck bilden, bei denen an zwei gegenüberliegenden Seiten die Kraft des Piezostellelements angreift, wobei die Rahmenteile an den Ecken des Achtecks über Biegeelemente flexibel ausgestaltet sind.
Eine Hubbewegung des ersten Piezostellelements 21 bewirkt dabei eine Streckung des Rahmens in Richtung des Hubs und somit eine Zugbewegung am Kolben 20, wodurch der zweite Verstärkungsrahmen 22a entlang der Bewegungsrichtung des Kolbens 20 gedehnt und das zweite Piezostellelement 22 gestaucht wird. Auf diese Weise sind die Piezostellelemente 21, 22 vorgespannt und werden bei der Rückbewegung nicht auf Zug belastet. Bei den Einlassventilen 12, 13 und den Auslassventilen 14, 15 handelt es sich um passive Ventile, nach dem Feder-Masse-Prinzip. Hierbei ist das Verschlussteil des Ventils (nicht dargestellt) an eine mit einer charakteristischen Frequenz schwingende Feder-Masse-Komponente gekoppelt. Diese Frequenz ist dabei auf die Frequenz der Piezostellelemente abgestimmt, so dass möglichst geringe Schalt- bzw. Öffnungs- oder Schließzeiten entstehen.

Claims (6)

  1. Flüssigkeitspumpe (1) aus einem eine Pumpenkammer (10) umschließenden Pumpengehäuse (11) mit in der Pumpenkammer (10) einen Kolben (20) bewegenden Piezostellelementen (21,22) und derart angebrachten Einlassventilen (12, 13) und Auslassventilen (14, 15), dass die Flüssigkeitspumpe (1) bei jeder Bewegung des Kolbens (20) einen Pumpeffekt durchführt, wobei die Piezoelemente (21, 22) quer zur Bewegungsrichtung des Kolbens (20) mit Verstärkerrahmen (21a, 22a) zur Umsetzung des Hubs der Piezostellelemente (21, 22) angeordnet sind,
    dadurch gekennzeichnet, das
    eine Hubbewegung des ersten Piezostellelementes (21) eine Streckung des Verstärkungsrahmens (21a) in Richtung des Hubes und damit eine Zugbewegung am Kolben (20) bewirkt, wodurch der zweite Verstärkungsrahmen (22a) entlang der Bewegungsrichtung des Kolbens (20) gedehnt und das zweite Piezostellelement (22) gestaucht wird.
  2. Flüssigkeitspumpe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezostellelemente (21, 22) senkrecht zur Bewegungsrichtung des Kolbens (20) verlaufend angeordnet sind.
  3. Flüssigkeitspumpe (1) nach Anspruch 1oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in Gegenspieleranordnung platzierten Piezostellelemente (21,22) über das Pumpengehäuse (11) vorgespannt sind.
  4. Flüssigkeitspumpe (1) nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezostellelemente (21,22) in ihrer Resonanzfrequenz schwingen.
  5. Flüssigkeitspumpe (1) nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassventile (12,13) und Auslassventile (14,15) passive Ventile sind.
  6. Flüssigkeitspumpe (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die passiven Ventile auf die Frequenz der Piezostellelemente (21,22) abgestimmte Feder-Masse-Schwinger sind.
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